Синт на ПЛ�С, Синтезатор на базе ПЛ�С

Я уже давно начал ставить эксперименты с синтезом, сначала на микроконтроллерах, но как-то очень сильно не хватало вычислительных ресурсов, пока не открыл для себя ПЛ�С. Программируемые логические матрицы для проектирования синтезаторов оказались очень хороши тем, что все получается блочно и независимо друг от друга (как на ТТЛ микросхемах, только в одном корпусе).

�значально я начал делать конкретный синт с конкретными параметрами, но сам модульный принцип создания устройств на ПЛ�С привел к тому, что начала вырисовываться платформа для создания в принципе любого синтезатора: нужно просто набрать нужных блоков, соединить их, скомпилировать и зашить в микросхему ПЛ�С. К внешним выводам подключить необходимые внешние платы расширения (миди вход, аудио выход, VCF, VCA и так далее).

Развитие проекта состоит в том, что разрабатываются модули. Часть модулей существуют в виде логических схем исключительно в ПЛ�С, например DCO (Digital VCO). Другие модули являются программно аппаратными, то есть модуль внутри плис через внешние выводы как то взаимодействует с какой-либо схемой снаружи.

Уже готовы следующие блоки:

- MIDI_IN - программно-аппаратный модуль: состоит из схемы на оптроне, которая преобразует сигнал к ПЛ�Совому 3.3 вольтовому входу. Программная часть принимает поток М�Д� и разбирает его. Реализована поддерка пока только канальных сообщений ( Note ON, Note OFF, Polyphonic Key Pressure, Control Change, Program Change, Channel Pressure, Pitch Wheel Change).
- DCO - Цифровой генератор на базе DDS. Частота дискретизации (как и у всех остальных блоков) равна 50 МГц. Разрядность - 32 бита, то есть через заданный интервал времени, значение аккумулятора DDS меняется от 0 до МАКС. По сути это пила. Нужно 8 битную пилу - берем старшие 8 бит. Нужно 16 битную - берем старшие 16.
- Note2DDS - преобразователь ноты (0..127) в значение приращения аккумулятора dds32 чтобы при добавлении его 50М раз в секунду получалась нужная частота(50МГц). Преобразую по таблице.
- Note+pitch2DDS преобразователь Note (0..127) + pitch (0..8192) в значение приращения аккумулятора dds32. Пришлось повозиться с математикой, чтобы получать промежуточные значения. В прямую посчитать функцию корня и степени на ПЛ�С никак, пробовал аппроксимацию полиномом... но сравнив точность и ресурсоемкость применил таблицу и линейную интерполяцию. В итоге питч сейчас от -1200 до +1199 при значении питча от 0 до 8192, то есть +- одна октава. В FL студии отрабатывает корректно.
- DCA Digital VCA. Модуль, который перемножает два 8битных значения и получает одно 16 битное. Может применяться для создания чистого ПЛ�С синтезатора, без внешних аналоговых модулей.
- VCA VCA на базе аналогового ключа. Состоит из аппаратного модуля схемы с ключем и фильтром и модуля внутри ПЛ�С, который генерирует управляющие сигналы для ключей. По сути ПЛ�С генерит Ш�М сигнал с параметрами 8бит 195 КГц. Модуль еще в стадии разработки, но я уже смог сравнить разницу между VCA и DCA.
- ADSR модуль внутри ПЛ�С, с 4 входами: A, D, S, R каждый 32 бита. Уже работает. Для его работы еще есть модуль экспопреобразователя, чтобы М�Д� число 0..127 преобразовать во время нарастания 0..12 секунд.
- DCF цифровой Б�Х фильтр, готов где-то на 75%, есть нюансы с математикой. Но пока его разработку отложил из за того, что аналоговый VCF интереснее.
- VCF на переключаемых конденсаторах. Управляется частотой, которая в Х раз выше частоты среза. Пока в разработке.
- Audio OUT - 1 битный ЦАП. Есть варианты: Ш�М, дельтасигма, есть еще идеи.

�з того, что есть уже в принципе можно собирать синты, не хватает только фильтра. Сейчас уже получается подключить и "попиликать".


Прелести платформы.
- Переносимость. Дело в том, что в принципе разработка модулей для ПЛ�С ведется на Verilog, после этого они без без изменений могут быть применены на любой ПЛ�С из линейки одного производителя (в моем случае Altera). � даже могут быть перенесены на Xilinx (у меня пока нет возможности проверить, но не вижу проблем). При сборке проекта мы просто создаем нужное количество модулей, соединяем, назначаем их на пины корпуса ПЛ�С и смотрим результат: влезает проект в ПЛ�С - отлично - загружаем. Не влезает - берем ПЛ�С пожирнее и грузим в нее. �зменения исходных кодов, чтения мануалов по портам и прочим внутренне-архитектурным вопросам не потребуется.
- Плюсы благодаря тому, что это ПЛ�С. Микроконтроллер все свои вычисления делает последовательно, это накладывает ограничения на скорость, например, расчетов волноформ. Это приводит к тому, что приходится снижать дискретизацию. На ПЛ�С никаких последовательных вычислений по программе не производится (во всяком случае пока). Внутри ПЛ�С организуется жесткая логическая схема из регистров и элементов �/�Л�/НЕ, и, к примеру, генераторы сигнала работают независимо друг от друга. Независимо от того, сколько их. На данный момент почти все модули проекта работают на частоте 50 МГц. Ну и естественно все тайминги, временные интервалы можно получать очень точно и достаточно просто (к примеру на МК сделать VGAвыход - это на пределе, а ПЛ�С самого начального уровня делают это легко, т.к. это тупо счетчики).
- Возможность подключения большого количества внешних модулей. Любая самая простая ПЛ�С имеет минимум 40 линий ввода вывода, поэтому тут можно вздохнуть свободно.

Как строить свой синт?
Пайка микросхем на 200 ног! Это не потребуется. Я просто беру девборду с ПЛ�С и соединяю ее с платой внешних модулей. Плату внешних модулей можно делать ЛУТ, или я не знаю как еще. Кому как удобнее. Мне сейчас удобнее монтаж накруткой, что я и делаю. Вот пример пиликалки на текущий момент





Подробнее про монтаж накруткой можно почитать в моих статьях на хабре 1, 2.

На данный момент пока не разработаны внешние модули по работе с элементами управления, типа крутилок-резисторов, енкодеров, экранами и прочее. Поэтому синт может быть пока только М�Д� управляемым. Для этого надо писать VSTi плагин. Но благодаря Ctrlr.com все немного упрощается.



Но в принципе ADSR я назначил на стандартные контролы, поэтому получается рулить прямо из FL Studio.



Есть первые результаты на SoundCloud. Музыкант из меня никакой, поэтому не претендую на оригинальность композиций. Плюс фильтров пока нет, а они создают основной характер для электронного синта.
SAW 220 Hz
Square 440 Hz
Stereo Noise
SAW 200 Hz and SAW 1 Hz to DCA (Digital VCA)
Mixer test (poliphonic sound)
Pitch Wheel Test

Обоснованность некоторых решений
Очень, блин, трудно иногда разговаривать с человеками, которые любят старые аналоговые синтезаторы. Новый и не совсем аналоговый синтезатор по определению для такого человека не будет тру, че бы ты ему не говорил. Так же и синт на базе ПЛ�С будет тут же причислен к Ц�ФРЕ, хотя он цифровым может и не являться. Тот же электроорган Вермона с микросхемой-дителетем по сути является цифровым - ведь там логическая микросхема! А фиг - не убедишь.

Что решено сразу НЕ ДЕЛАТЬ, так это не делать синт, у которого будет выход с помощью стерео ЦАП. Потому что в принципе что бы там до ЦАП не происходило, результат будет такой же, как на компьютере, а если нет разницы.... Во-вторых это дискретизация. В третьих - всего один стерео выход.

Как я решил делать: каждый голос должен выводиться из ПЛ�С по отдельности. То есть, в приниципе, если понадобится, то можно будет каждый голос хоть по отдельности записать или подать на отдельный вход миксера.

Цепочка отдельного голоса VCO-VCF-VCA. Вывод волноформы из ПЛ�С пока делается с помощью Ш�М. Пока получается 8бит и 195 КГц, но у меня есть мысли на тему того, как это улучшить. Но даже если этого не делать, то 8 бит идет только на один голос, плюс громкость не меняется (она будет меняться на VCA), то есть чистая волноформа идет с размахом на все 8 бит (а это около 60дб). Даже если там что-то и не так, то вся дискретность сигнала потеряется на аналоговых VCF и VCA. Если не убедил - копаем в сторону PPG Synth.

В принципе, никто не мешает сделать модуль чисто аналогового генератора, с контролем его модулем на ПЛ�С. Тут уже будет чисто аналоговый генератор. Не подкопаешься.

Генерацию LFO и ADSR внутри плис. По ADSR я обосновываю тем, что в таком случае можно будет четко определять, когда работа одного голоса уже точно закончилась и его можно будет применять повторно. Это пригодится при работе с полифонией.

Буду рад услышать комментарии, предложения и критику (если она не по теме "не аналог"). Еще, конечно, нужна бы определенная мат. помощь, но я в чудеса практически не верю.

Это сообщение отредактировал sea - 7.12.2014 - 19:15

sea сам не молод, но цифра не цифра не важно, важен сам звук! Поэтому давно слежу за этой темой, есть единицы и на других форумах кто ПЛ�С использует в этом же ключе. Мне тема интересна...но ничего в программировании не понимаю..))
Жду продолжения. Вот.